滑模变结构控制理论与应用研究

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1、滑模变结构控制理论与应用研究摘要滑模变结构控制(vsc或SMC)，作为一种先进的控制策略，其发展历史不过四十几年。然而仅在这四十几年中，vsc就以它的不变性(又称完全鲁棒性)，引起了众多控制界学者的兴趣，以致于不少理论和应用成果纷纷涌现。目前，在理论上，已经初步解决了包括多输入系统和不确定系统在内的一些控制系统的设计问题及其稳定性、鲁棒性分析问题;在实际应用中，vsc也已成功地应用于机器人、航空航天系统、电力系统、电子系统等领域。但是，就一种具有强鲁棒性的控制方法而言，它的应用范围本应该更大。之所以vsc目前仍不能被更广泛地应用，其缺陷在于系统中的抖动现象。由抖动引起的高频分量

2、和疲劳损伤在某些应用场合是不能接受的。力图消除抖动的研究已进行了十年，有效的方法也已有好几种，但是，就目前的消除抖动的方法来看，抖动的消除往往是以破坏滑动模态为代价的。确实，在破坏滑动模态而得到准滑动模态效果之后，抖动得以消除或减弱，然而同时，却又带来了静差.变结构控制系统虽然具有不变性，但是对于不满足匹配条件的不确定系统。不变性己不复存在。在这种情况下如何设计变结构控制，是变结构控制研究的一个方向，也是一个难点。此外，vsc的应用还存在一个重要的问题，那就是离散vsc问题。实际中的应用往往是通过采样离散化来实现，采样周期对vsc的控制效果影响很大，如果采样周期比较大，由原先连

3、续模型设计出的本该收敛的控制系统，往往也会发散或产生混沌，即使勉强收敛，抖动的现象也会非常明显.直接针对离散系统的vsc方案，一度成为vsc的一个重要研究方向。目前，在这一方面取得了一定的进展，但是，已有的方法还并不完美。有的方法虽能非常巧妙地解决单输入设计问题，却不能拓展到多输入的情况;有的可以解决多输入问题，但滑动模态被破坏，系统存在静差。研究主要针对以上问题进行，所倾工作具体包括以下几个方面:.对经典的vsc进行了广泛的研究.着重研究了抖动现象产生原因及其消除方法、不变性原理和vsc与大增益线性反馈控制的关系。讨论了产生不变性的条件;揭示了vsc与大增益线性反馈控制的等价

4、关系:提出了用切换面邻域内的稳定性来分析抖动起因的方法。.研究了不确定系统的vsc设计.分别针对满足匹配条件但集总不确定部分上界不确知、不满足匹配条件但满足广义匹配条件、不满足广义匹配条件等情况，研究了其vsc设计问题。在满足匹配条件但集总不确定部分上界不确知情况下的vsc设计问题中，提出了参数自适应vsc设计方法:在满足广义匹配条件的鲁棒vsc设计问题中，提出将设计问题转化成LMI问题来求解的解决方案..研究了离散滑模变结构控制.分析了连续vsc离散化实现的稳定性，给出了稳定的充分条件。对己有的几种离散系统vsc进行了比较研究和仿真研究，指出了各方法的利弊和部分方法的几何惫义

5、.今研究了vsc在实际工业系统中的应用。对交直流电机调速系统设计了vsc方案，并将vsc策略用到开关谐振式电压源。以状态空间模型为基础，给出三种直流电机调速系统的vsc方案，并进行了分析和比较;提出了感应电机调速系统的一种vsc方案;提出了一种新颖的开关谐振式电压源的控制方法，采用基于二次型切换面的变结构控制。令提出软到达控制方法。从vsc的基本概念出发，提出一种新型控制方法，命名为软到达控制。脱胎于vsc的这种控制方法，从根本上遏制了产生抖动的起因，从而消除了抖动现象。相应的离散软到达控制，比现有的几种离散vsc方法，控制效果上也有根本性的改善，而且可以很方便拓展到多输入的情

6、形。在倒立摆中的仿真研究证实了方法的一系列优越性:.收敛快.无抖动.不变性.调节参数少关键词:变结构控制，滑模控制，鲁棒性，切换函数，线性矩阵不等式，抖动，到达条件，匹配条件ResearchOfSlidingModeVariableStructureControlTheoryAndApplicationABSTRACTFortyyearshavepassedbeforeslidingmodevariablestructurecontrol,asanadvancedcontrolapproach,developsintoageneraldesignmethod.Duringthe

7、period,variablestructurecontrol(VSC)hasbeenbroughttomanyresearchers'atentionsforitsdistinguishedfeature-invarianceproperty,sothatlotsofpublishedworksemerge.Intheory,thegeneraldesignmethod,stabilityandrobustnessofvariablestructuresystems(VSS)havebee